自动检重秤如何选用称重传感器?

文章作者根据多年的经验，与大家分享了自动检重秤应该如何选用合适的称重传感器。

目前，无论是针对食品、日化、制药、石化行业的检测，或是针对电池和汽车零件的检验，企业都将检重秤作为检验产品质量和数量的关键手段，该衡器已越来越多地应用于众多制造行业。随着生产效率的不断提高，生产全过程的稳定性受到了挑战。企业如何保证在高速的包装生产线上，仍旧达到低速时的检测高精度？企业能否在冲压机床的振动条件下，仍旧能在输送线上自动检验出细小零件的加工误差？企业能否在高速电池自动生产线上，动态地称出自动加载碳环的精确值和电解液灌装重量的极小误差？一致性和可靠性是生产企业关注的新话题，而在线检测新技术的突破是解决这一问题的最佳途径。

传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05表示。

  

称重传感器

　　衡器上使用的一种力传感器。它能将作用在被测物体上的重力按一

  

称重传感器

定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70%，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的准确度。

称重传感器分类

　　称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

光电式传感器

　　包括光栅式和码盘式两种。

　　光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号（图2）。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。

　　码盘式传感器（图3）的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。

液压式传感器

　　如图4所示，在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。

电磁力式传感器

　　它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作（图5）。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

电容式传感器

　　它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作(图6 )。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。

磁极变形式传感器

　　如图7所示，铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。

振动式传感器

　　弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

　　振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。

　　音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。

陀螺仪式传感器

　　如图10所示，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。

　　陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm）， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。

电阻应变式传感器

　　利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。

　　电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。

　　电阻应变式称重传感器原理

　　电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

　　由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

  

称重传感器

一、电阻应变片

　　电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

　　设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

　　R = ρL/S（Ω） （2—1）　

　　当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

　　对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）

　　用式（2--1）去除式（2--2）得到

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （2—3）

　　另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以

　　ΔS/S = 2Δr/r （2—4）

　　从材料力学我们知道

　　Δr/r = -μΔL/L （2—5）

　　其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

　　=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

　　= K *ΔL/L （2--6）

　　其中

　　K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （2--7）

　　式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。　

　　需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

　　在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

　　常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2--6）常写作：

　　ΔR/R = Kε (2—8)　

　　二、弹性体

　　弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

　　以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

　　设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。　

　　肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

　　ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

　　其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

　　需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

　　三、检测电路

　　检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

　　因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

自动检重秤的发展历史

通过对历史的研究和对众多途径的探索，自动检重秤（又称为分选秤、选别机或自动分检衡器）最悠久和最丰富的史料在赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）被发现。赛默飞世尔科技公司通过多次购并，第一个在市场上推出检重秤的企业。

图1 Thermo Scientific AC9 Rx称重秤

早在1933年，经过多次尝试，利用机械设备将“如同在运动中”的产品自动输送到秤台进行称量的方式终于实现。成立于1945年的美国加利福尼亚州Illumatronic公司，于1953年首次将动态称量技术成功地应用到了商用衡器上。

在上世纪60年代中期，Illumatronic公司改名为Icore。从此在世界各地，Icore逐渐成为了“检重秤”的代名词。今天食品制造商采用检重秤是日益关注产品质量和生产效率的结果。Icore公司通过并购Acurex公司，进入了企业发展的快车道。1985年，Icore公司由后来在美国明尼苏达州的拉姆齐工程公司（Ramsey）实现管理和控制，逐渐在美国和日本市场成长为一个主导检重秤事业部、在全球各地拥有办事处和代理商的设备制造中心。

检重秤上的称重传感器类型

当前，自动检重秤所应用的称重传感器主要有两种：应变电阻传感器和电磁补偿传感器。

影响检重秤动态精度的因素不在于选用何种类型的传感器。即使称重传感器的精度非常高，如果不能克服设备本身的电机振动、产品上秤的振动和基础振动，就不能达到所期望的动态精度，哪怕是选用了精度非常高的天平传感器。

影响检重秤动态称重精度的因素除了机器本身的机械振动影响之外，产品长度、产品内部晃动以及环境因素都会对精度造成影响。在相同的称量台长度条件下，产品长度越长、称量时间越短精度会越差，克服方法是加长称量段长度。

当检重秤选用了电磁补偿称重传感器时（即电子天平所采用的传感器形式），如果检重秤的重复性很差，就会出现高精度和低重复性情况。最终的结果是动态精度不佳，而且很难通过参数来调整动态称重精度。

当检重秤选用应变电阻传感器时（即工业衡器、自动定量秤和配料控制等所采用的传感器），如果检重秤的重复性很高，就会出现低精度和高重复性情况。但是，最终通过调整动态和静态比列系数，可以使检重秤的动态精度达到很高水平。

检重秤的核心部件为称重传感器。目前国际上通常采用两种类型的称重传感器：应变电阻传感器和电磁补偿传感器。

电磁补偿称重传感器的工作原理为电动转换原理：当电流通过处于永久磁铁两极间的导线时，受电磁场的作用产生电磁力。为了使这种系统达到平衡，还需要添加一些辅助装置，如需要放置被测物的称盘和辨别磁场中导线位置变化的位移传感器。另外，还需要一个电流调节器和测量电流的测量回路。当未加载荷时，导线中正好流过由电流调节器控制的一定电流，使处于同样水平位置的指示器的两指针保持不动，系统达到平衡状态。这时，测量仪表上被指示的电流与零位对应，即天平的零点。电磁补偿称重传感器在实验室中的电子天平上被广泛采用，其特点是传感器精度高，一般为0.001%。考虑到称量台上的输送机影响，一般称台的整体静态称量精度为量程的0.01%。传感器内部需要电磁平衡过程，称量稳定时间较长，动态响应时间较慢。因此，采用电磁补偿式称重传感器的检重秤无法突破400件/分钟和正负偏差300mg的动态精度瓶颈。

应变电阻称重传感器是在金属铝或不锈钢弹性体上贴上四个电阻应变片，构成惠思通电桥。当传感器受力时，其形状发生变化。这样就迫使粘贴在传感器上的四个应变片的阻值也发生相应的变化，其中受挤压的阻值变小，受拉伸的阻值变大。通过惠思通电桥测量电路即可较准确地测量出阻值的变化，并换算出受力的大小。应变电阻称重传感器普遍应用于工业衡器和各种工业场合下的特殊称重控制，其特点是适合工业现场的恶劣环境，动态响应迅速，传感器精度为0.01%。考虑到称量台上的输送机影响，一般称台的整体静态称量精度为量程的0.03%。

赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）成功地突破了高速和高精度的瓶颈，其称重秤的核心采用了松带专利技术：称重传感器采用工业级、动态响应迅速的电阻应变式称重传感器。虽然Thermo Scientific AC9 Rx称重秤选用的是应变电阻称重传感器，但是其松带技术使得称量台上没有电机。首先，此举实现了称量台的轻巧自重，可以忽略称量台本身的重量，只考虑最大产品重量，相对而言将称量台的有效称量精度提高到0.01%。换而言之，Thermo Scientific AC9 Rx称重秤达到了与电磁补偿式称重传感器一样的静态称量精度；其次，Thermo Scientific AC9 Rx称重秤彻底消除了电机等传动设备的振动影响，实现了高速高精度的梦想。在550件/分钟的称重过程中，根据包装袋的不同规格，Thermo Scientific AC9 Rx称重秤的最佳动态精度可达到0.03g~ 0.05g。

来源：
赛默飞世尔科技公司 胡阶明